CN109060816B - 大口径元件体内缺陷快速检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种大口径元件体内缺陷快速检测装置和方法，该装置主要包括激光器、半波片、偏振片、光束整形器、第一成像镜头、第一CCD相机、第二成像镜头、第二CCD相机、显微镜照明光源、光纤、YZ二维移动平台、XYZ三维移动平台、扫描同步控制系统和计算机。本发明利用YZ二维移动平台和XYZ三维移动平台分别控制光源和高、低倍成像系统运动，避免了大口径元件快速运动导致的危险性和测量结果不稳定性。本发明采用低倍全口径激光散射快速扫描成像和高倍定点明场成像相结合的方式，不仅实现体缺陷快速定位，而且能准确测量其尺寸，为元件质量评价、分级提供可靠依据。

Description

大口径元件体内缺陷快速检测装置和方法

技术领域

本发明涉及元器件体内缺陷检测技术领域，特别是一种大口径元件的体内缺陷快速检测装置及方法。

背景技术

光学元件体缺陷主要是指熔炼过程中光学玻璃材料内部形成的气泡，和从外界环境中引入夹杂在玻璃内部的杂质包裹物等。其具有随机分布特性。光学元件体内微米级尺寸的缺陷严重影响元器件所在系统的性能，主要表现为以下几个方面：体缺陷对光束产生散射效应，杂散光导致成像系统的成像质量下降。高功率激光系统中，体缺陷吸收部分入射激光能量，引起局部升温，导致元件自身损伤。另外，体缺陷对入射激光产生严重的调制，使入射激光在下游元件的表面或体内局部光强得到极大增强，而这些光学元件基本工作在近临界阈值附近，局部光强增强极易使其被损伤。更为关键的是，元件的损伤最终可能导致整个系统的崩溃。因此，必须准确检测元件内部缺陷。

目前，国内对光学元件体缺陷检测主要依赖目视法。在暗室环境中，强光手电照射玻璃内部，人眼避开入射光传输方向，从侧面观察体缺陷产生的散射光。人工检对检测员素质要求高，需长时间培养训练，且不能准确测量记录缺陷的三维位置分布。需要将元件搬运到显微镜等辅助设备上观测缺陷尺寸，过程繁琐、耗时较长，易使元件遭受二次损伤。美国劳伦斯利弗莫尔实验室(LLNL)和法国原子能委员会(CEA)下属的里梅尔-凡伦顿(Limeil-Valenton)研究中心基于激光散射暗场成像原理分别研制了一套大口径光学元件体内包裹物自动探测系统。这两套系统均采用二维导轨带动元件快速移动，面阵或线阵CCD成像的方式，实现元件内部全部区域探测。利用导轨带动大口径元件快速移动存在较大的不稳定性。以熔融石英玻璃为例，尺寸为500mm×500mm×80mm的元件质量约为44Kg，给系统测量引入较大风险。此外，由于采用散射测量原理，这两套系统均只能探测缺陷的位置分布，无法直接准确测量体缺陷的尺寸。

参考文献：

1、J.Wolf,M.Runkel,System for detection of small inclusions in largeoptics[J].Proc.of SPIE,2008,7132:71320W-1-71320W-8.

2、Marc Leconte,AndréRoussel,Laser glass inspection system[J],Proc.ofSPIE,1997,3047:878-882.

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种大口径元件体内缺陷快速检测的装置和方法。该装置采用低倍全口径激光散射快速扫描成像和高倍定点明场成像相结合的方式，不仅实现体缺陷快速定位，而且能准确测量其尺寸，为元件质量评价、分级提供可靠依据。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种大口径元件体内缺陷的检测装置，其特点在于，包括激光器、半波片、偏振片、光束整形器、第一成像镜头、第一CCD相机、第二成像镜头、第二CCD相机、显微镜照明光源、光纤、YZ二维移动平台、XYZ三维移动平台、扫描同步控制系统和计算机；

所述的激光器、半波片、偏振片、光束整形器置于所述的YZ二维移动平台上，且所述的激光器发出的激光依次经所述的半波片、偏振片和光束整形器形成准直带状光束沿X向输出；在该准直带状光束的垂直方向设置待测元件，使准直带状光束垂直于所述的待测元件的侧面入射到内部；

所述的第一成像镜头、第一CCD相机、第二成像镜头、第二CCD相机置于所述的XYZ三维移动平台上，所述的第一成像镜头和第一CCD相机位于待测元件正上方，第一成像镜头的光轴与准直带状光束的入射方向相互垂直；

所述的第二成像镜头和第二CCD相机与所述的第一成像镜头并列放置，第二成像镜头的光轴与第一成像镜头的光轴相互平行；

所述的显微镜照明光源发出的光经过所述的光纤导入到所述的第二成像镜头的内部，从第二成像镜头出射；

所述的扫描同步控制系统控制所述的YZ二维移动平台和XYZ三维移动平台的同步移动，保证准直带状光束的照明区域和第一成像镜头的成像物面重合。

所述的激光器发出的激光被光束整形器整形为具有一定宽度(Z向)和厚度(Y向)的准直带状光束。

所述的第一成像镜头和第二成像镜头的工作距离均能保证其对待测元件内部区域清晰成像。

所述的第一成像镜头倍率小于第二成像镜头的放大倍率。所述的第一成像镜头和第一CCD相机用于全口径快速扫描探测发现缺陷。所述的第二成像镜头和第二CCD相机用于体缺陷定点放大测量。

利用上述大口径元件体内缺陷快速检测装置进行大口径元件体内缺陷的检测方法，该方法包括下列步骤：

①低倍全口径扫描：根据待测元件的尺寸L×W×D，第一CCD相机单次成像视场宽度l和高度w，X向相邻图像重叠宽度h和Z向相邻图像重叠高度v，低倍扫描单层厚度d，计算单层低倍扫描的行数、列数和扫描层数，将待测元件置于所述的光束整形器输出的准直带状光束方向，使准直带状光束垂直地入射所述的待测元件的内部；

②打开所述的激光器：所述的第一成像镜头移动到待测元件左上角顶点，首先，所述的XYZ三维移动平台带动第一成像镜头沿X轴正向运动，单次移动距离l-h，每移动一次，所述的第一CCD相机采集一次图像，完成第一行扫描；接着，所述的YZ二维移动平台带动所述的激光器、半波片、偏振片和光束整形器沿Z轴正向移动距离w-v，第一成像镜头沿Z轴正向移动距离w-v后，沿X轴负向开始第二行扫描，依此程序完成第一层扫描；

③所述的YZ二维移动平台带动激光器、半波片、偏振片和光束整形器沿Y轴负向移动距离d；同时，所述的XYZ三维移动平台带动所述的第一成像镜头(7)沿Y轴负向移动距离d/n，n为待测元件在入射激光波长处的折射率，返回步骤②，完成第二层扫描；

④重复步骤③，完成待测元件内部所有区域扫描；

⑤所述的计算机基于特征匹配法对所述的第一CCD相机采集的所有图像进行拼接，利用二值化和特征提取方法提取体缺陷的中心位置XYZ坐标；

⑥高倍定点层扫：关闭所述的激光器，打开所述的显微镜照明光源，根据体缺陷的位置坐标，将所述的第二成像镜头的聚焦位置移动到体缺陷所处的低倍扫描层，对该层实行分层扫描，利用图像清晰度评价函数计算第二CCD相机获取的单一体缺陷高倍层扫图像的清晰度，获取体缺陷最清晰图像。

⑦利用二值化、特征提取方法对体缺陷最清晰图像进行处理，提取该体缺陷的尺寸。

与现有技术相比，本发明优点如下：

1、本发明能准确测量体缺陷尺寸，避免测量过程中造成元件二次损伤，提高检测效率。传统目视检测和激光散射暗场成像方法均无法直接测量元件内部缺陷的尺寸，需要标记缺陷位置后在显微镜下观察。做标记和搬运过程中容易造成二次损伤。本发明采用了高倍明场成像方法，根据低倍扫描检测到的缺陷位置，计算机自动控制第二成像镜头的聚焦位置移动到缺陷位置，沿Y轴局部层扫，根据图像清晰度评价函数以及二值化、特征提取方法提取缺陷的尺寸，为后续元件质量评价和分级提供可靠依据。此外，整个测量过程无需在缺陷位置做标记，不需搬运样品，有效避免对元件表面造成二次损伤，提高检测效率。

2、降低机械运动同步性控制的复杂程度。本发明将激光器出射激光整形为具有一定宽度和厚度的准直带状光束。在进行单层面扫描时，沿X方向只需移动第一CCD相机，无需同步移动光源部分和待测元件。

3、有效保证大口径待测元件安全。500mm×500mm×80mm熔石英玻璃的质量约为44Kg，移动导轨带动其高速运动使测量过程存在较高风险，容易造成测量不稳定性。本发明采用移动光源和高、低倍成像部分的方案，待测元件保持静止固定。这两部分质量远小于待测元件质量，足够保证待测元件安全和测量过程稳定性。

附图说明

图1是本发明大口径元件体内缺陷检测装置的原理示意图

图2是本发明体内缺陷单层面扫描路线示意图

图3是本发明体内缺陷层扫描路线示意图

图4是本发明第二成像镜头对体缺陷区域局部层扫描检测示意图

图中：1、激光器；2、半波片；3、偏振片；4、光束整形器；5、待测元件；6、体缺陷；7、第一成像镜头；8、第一CCD相机；9、第二成像镜头；10、第二CCD相机；11、显微镜照明光源；12、光纤；13、YZ二维移动平台；14、XYZ三维移动平台；15、扫描同步控制系统；16、计算机；17、体缺陷高倍最清晰图像。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步详细阐述，但不应以此限制本发明的保护范围。

图1为本发明大口径元件体内缺陷快速检测装置机构示意图，包括激光器1、半波片2、偏振片3、光束整形器4、第一成像镜头7、第一CCD相机8、第二成像镜头9、第二CCD相机10、显微镜照明光源11、光纤12、YZ二维移动平台13、XYZ三维移动平台14、扫描同步控制系统15和计算机16。

所述的激光器1出射的激光依次经过半波片2、偏振片3和光束整形器4。所述的半波片2和偏振片3组合将入射激光光强调节到合适的范围，所述的光束整形器4将入射激光整形为具有一定宽度(Z向)和厚度(Y向)的准直带状光束。准直带状光束从待测元件5侧面沿X向垂直入射到待测元件5内部。

所述的第一成像镜头7和第一CCD相机8位于待测元件5正上方，第一成像镜头7的光轴(Y向)与准直带状光束入射方向(X向)相互垂直。

若待测元件5在准直带状光束照明区域存在体缺陷6，则准直带状光束经过体缺陷6产生的部分散射光被所述的第一成像镜头7收集，并在所述的第一CCD相机8上成像。否则，所述的第一CCD相机8采集的图像为暗背景。

所述的第二成像镜头9和第二CCD相机10与所述的第一成像镜头7位于同侧，并列放置。第二成像镜头9的与第一成像镜头7的光轴相互平行。

所述的显微镜照明光源11发出的光束经过所述的光纤12导入到所述的第二成像镜头9内部，从第二成像镜头9出射，照射到待测元件5包含的体缺陷6所在区域，第二CCD相机10对体缺陷6进行明场高倍成像。

所述的YZ二维移动平台13带动所述的激光器1、半波片2、偏振片3和光束整形器4沿Y、Z方向移动。所述的XYZ三维移动平台14带动所述的第一成像镜头7、第一CCD相机8、第二成像镜头9和第二CCD相机10沿X、Y和Z方向移动。所述的扫描同步控制系统15控制所述的YZ二维移动平台13和XYZ三维移动平台14的移动同步性，保证准直带状光束的照明区域和第一成像镜头7的成像物面重合。

所述的第一成像镜头7和所述的第二成像镜头9的工作距离均能保证其对待测元件5内部区域清晰成像。

所述的第一成像镜头7倍率小于所述的第二成像镜头9的放大倍率。本实施例所述的第一成像镜头的倍率通常不大于1×。所述的第二成像镜头的放大倍率通常不小于7×。第一成像镜头7和第一CCD相机8用于全口径快速扫描探测发现缺陷。第二成像镜头9和第二CCD相机10用于体缺陷定点放大测量。

利用上述大口径元件体内缺陷检测装置进行大口径元件体内缺陷检测的方法，该方法包括下列步骤：

1、低倍全口径扫描：根据待测元件5的尺寸L×W×D，第一CCD相机8单次成像视场宽度l和高度w，X向相邻图像重叠宽度h和Z向相邻图像重叠高度v，低倍扫描单层厚度d，计算单层低倍扫描的行数、列数和扫描层数，将待测元件置于所述的光束整形器4输出的准直带状光束方向，使准直带状光束垂直地入射所述的待测元件5的内部；

2、打开所述的激光器1：所述的第一成像镜头7移动到待测元件5左上角顶点，首先，所述的XYZ三维移动平台14带动第一成像镜头7沿X轴正向运动，单次移动距离l-h，每移动一次，所述的第一CCD相机8采集一次图像，完成第一行扫描；接着，所述的YZ二维移动平台13带动所述的激光器1、半波片2、偏振片3和光束整形器4沿Z轴正向移动距离w-v，第一成像镜头7沿Z轴正向移动距离w-v后，沿X轴负向开始第二行扫描，依此程序完成第一层扫描；图2是本发明体内缺陷单层面扫描路线示意图；

3、所述的YZ二维移动平台13带动激光器1、半波片2、偏振片3和光束整形器4沿Y轴负向移动距离d；同时，所述的XYZ三维移动平台14带动所述的第一成像镜头7沿Y轴负向移动距离d/n，n为待测元件5在入射激光波长处的折射率，返回步骤2，完成第二层扫描；

4、重复步骤3，完成待测元件5内部所有区域扫描；图3是本发明体内缺陷层扫描路线示意图

5、所述的计算机16基于特征匹配法对所述的第一CCD相机8采集的所有图像进行拼接，利用二值化和特征提取方法提取体缺陷6的中心位置XYZ坐标；

6、高倍定点层扫：关闭所述的激光器1，打开所述的显微镜照明光源11，根据体缺陷的位置坐标，将所述的第二成像镜头9的聚焦位置移动到体缺陷6所处的低倍扫描层，对该层实行分层扫描，利用图像清晰度评价函数计算第二CCD相机10获取的单一体缺陷高倍层扫图像的清晰度，获取体缺陷6最清晰图像17。参见图4，图4是本发明第二成像镜头对体缺陷区域局部层扫描检测示意图。

7、利用二值化、特征提取方法对体缺陷最清晰图像进行处理，提取该体缺陷6的尺寸。

实验表明，本发明利用YZ二维移动平台和XYZ三维移动平台分别控制光源和高、低倍成像系统运动，避免了大口径元件快速运动导致的危险性和测量结果不稳定性。本发明采用低倍全口径激光散射快速扫描成像和高倍定点明场成像相结合的方式，不仅实现体缺陷快速定位，而且能准确测量其尺寸，为元件质量评价、分级提供可靠依据。

Claims (3)

1.一种大口径元件体缺陷快速检测装置，其特征在于，包括激光器(1)、半波片(2)、偏振片(3)、光束整形器(4)、第一成像镜头(7)、第一CCD相机(8)、第二成像镜头(9)、第二CCD相机(10)、显微镜照明光源(11)、光纤(12)、YZ二维移动平台(13)、XYZ三维移动平台(14)、扫描同步控制系统(15)和计算机(16)；

所述的激光器(1)、半波片(2)、偏振片(3)、光束整形器(4)置于所述的YZ二维移动平台(13)上，且所述的激光器(1)发出的激光依次经所述的半波片(2)、偏振片(3)和光束整形器(4)形成准直带状光束沿X向输出；在该准直带状光束的垂直方向设置待测元件(5)，使准直带状光束垂直于所述的待测元件(5)的侧面入射到内部；

所述的第一成像镜头(7)、第一CCD相机(8)、第二成像镜头(9)、第二CCD相机(10)置于所述的XYZ三维移动平台(14)上，所述的第一成像镜头(7)和第一CCD相机(8)位于待测元件(5)正面，第一成像镜头(7)的光轴与准直带状光束的入射方向相互垂直；

所述的第二成像镜头(9)和第二CCD相机(10)与所述的第一成像镜头(7)并列放置，第二成像镜头(9)的光轴与第一成像镜头(7)的光轴相互平行；

所述的显微镜照明光源(11)发出的光经过所述的光纤(12)导入到所述的第二成像镜头(9)的内部，从第二成像镜头(9)出射；

所述的扫描同步控制系统(15)控制所述的YZ二维移动平台(13)和XYZ三维移动平台(14)的同步移动，保证准直带状光束的照明区域和第一成像镜头(7)的成像物面重合；所述的YZ二维移动平台(13)带动激光器(1)、半波片(2)、偏振片(3)和光束整形器(4)沿Y轴负向移动距离d；同时，所述的XYZ三维移动平台(14)带动所述的第一成像镜头(7)沿Y轴负向移动距离d/n，其中n为待测元件(5)在入射激光波长处的折射率；

所述的激光器(1)发出的激光被光束整形器(4)整形为在Z轴方向具有一定宽度和在Y轴方向具有一定厚度的准直带状光束；

所述的计算机(16)对所述的第一CCD相机(8)采集的所有图像进行拼接，并提取体缺陷(6)的中心位置的XYZ坐标，所述的第一成像镜头(7)的放大倍率小于第二成像镜头(9)的放大倍率；所述的第一成像镜头(7)和第一CCD相机(8)用于全口径快速扫描探测发现体缺陷；所述的第二成像镜头(9)和第二CCD相机(10)用于体缺陷定点放大测量；

关闭所述的激光器(1)，打开所述的显微镜照明光源(11)，根据体缺陷的中心位置的XYZ坐标，将所述的第二成像镜头(9)的聚焦位置移动到体缺陷(6)所处的低倍扫描层，对该层实行分层扫描，利用图像清晰度评价函数计算第二CCD相机(10)获取的单一体缺陷高倍层扫图像的清晰度，获取体缺陷(6)最清晰图像(17)，利用二值化、特征提取方法对体缺陷最清晰图像进行处理，提取该体缺陷(6)的尺寸。

2.根据权利要求1所述的大口径元件体缺陷快速检测装置，其特征在于，所述的第一成像镜头(7)和第二成像镜头(9)的工作距离均能保证其对待测元件(5)内部区域清晰成像。

3.利用权利要求1所述的大口径元件体缺陷快速检测装置进行大口径元件体缺陷的检测方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

①低倍全口径扫描：根据待测元件(5)的尺寸L×W×D，第一CCD相机(8)单次成像视场宽度l和高度w，X向相邻图像重叠宽度h和Z向相邻图像重叠高度v，低倍扫描单层厚度d，计算单层低倍扫描的行数、列数和扫描层数，将待测元件置于所述的光束整形器(4)输出的准直带状光束方向，使准直带状光束垂直地入射所述的待测元件(5)的内部；

②打开所述的激光器(1)：所述的第一成像镜头(7)移动到待测元件(5)左上角顶点，首先，所述的XYZ三维移动平台(14)带动第一成像镜头(7)沿X轴正向运动，单次移动距离l-h，每移动一次，所述的第一CCD相机(8)采集一次图像，完成第一行扫描；接着，所述的YZ二维移动平台(13)带动所述的激光器(1)、半波片(2)、偏振片(3)和光束整形器(4)沿Z轴正向移动距离w-v，第一成像镜头(7)沿Z轴正向移动距离w-v后，沿X轴负向开始第二行扫描，依此程序完成第一层扫描；

③所述的YZ二维移动平台(13)带动激光器(1)、半波片(2)、偏振片(3)和光束整形器(4)沿Y轴负向移动距离d；同时，所述的XYZ三维移动平台(14)带动所述的第一成像镜头(7)沿Y轴负向移动距离d/n，n为待测元件(5)在入射激光波长处的折射率，返回步骤②，完成第二层扫描；

④重复步骤③，完成待测元件(5)内部所有区域扫描；

⑤所述的计算机(16)基于特征匹配法对所述的第一CCD相机(8)采集的所有图像进行拼接，利用二值化和特征提取方法提取体缺陷(6)的中心位置的XYZ坐标；

⑥高倍定点层扫：关闭所述的激光器(1)，打开所述的显微镜照明光源(11)，根据体缺陷的位置坐标，将所述的第二成像镜头(9)的聚焦位置移动到体缺陷(6)所处的低倍扫描层，对该层实行分层扫描，利用图像清晰度评价函数计算第二CCD相机(10)获取的单一体缺陷高倍层扫图像的清晰度，获取体缺陷(6)最清晰图像(17)；

⑦利用二值化、特征提取方法对体缺陷最清晰图像进行处理，提取该体缺陷(6)的尺寸。

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